超声波传输时间精密测量方法及应用研究

　　1　超声波技术在流量测量中的应用

　　在流量测量中人们利用超声波在不同流速流体中顺流、逆流传播速度的不同设计了时差法超声波流量计[1]，如图1所示。

　　图1中：D为管道直径;θ为换能器A、B的轴线与管道轴线夹角(声道角);v为管道中液体介质的流 速;c为超 声 波 在 液 体 介 质 中 的 传 播 速度。超声波换能器A、B均既可以发射超声波又可以接收超声波。 则管道中的流量为

　　由式(1)可知，超声波传播时间的测量是时差法超声波流量计流量测量[2]的关键。假设图1中管径D=300mm，声道角θ=45°，则超声波换能器A、B之间的距离约为424.26mm。已知超声波在洁净水中的传播速度约为1450m/s，若水流速为1m/s，则超声波顺流、逆流传播时间差约为400ns。要保证测量达到0.2%的测量精度，要求测量的传输时间差的分辨率至少要小于0.8ns。

　　这么高的时间测量分辨率对传统的嵌入式仪表测时电路来说很难实现，这也是为什么20世纪30年代初人们就提出利用超声波来测量流量但直到80、90年代随着高性能FPGA等集成电路的飞速发展才研制出高精度超声波流量计的原因[3]。

　　本文提出一种通过数字细分和高分辨率A/D高速采样来实时精密测量超声波传输时间[4]的新方法，并将这一方法运用于高精度超声波流量计的研制。

        2   超声波传输时间测量方法

　　如图2所示，驱动电路给超声波换能器A供以频率在超声波频率范围内的周期信号，使换能器A把电信号转换成周期性振动，产生超声波信号。换能器B接收到该信号并将其转换成周期性电信号，该信号称之为超声波回波信号，是一个变幅信号。换能器A发射的超声波信号上的任意一点与换能器B接收到的回波信号上相对应的那一点之间的时间间隔就是超声波的传输时间。超声波传输时间精密测量的关键是确定传播时间的终点，其精度依赖于终点的精确确定。

　　换能器A发射完一定数量的超声波信号后，A/D电路马上从换能器B上采集超声波回波信号。回波信号采集完成后首先逐点比较A/D采样点，找出采样点的最大值就可以确定幅值最大的特征值波形。然后，如图3b所示，确定超声波传输时间终点所对应的过零点P0前一个采样点P和后一个采样点P+1，显然在特征波内采样点P的采样值大于零，采样点P+1的采样值小于零。

最后，以采样点P和P+1两个点对应的时刻作为基准，用数字拟合细分插补算法可以准确地计算出过零点P0所对应的时刻。如图3所示，设超声波信号的输入频率为fu，A/D的采样频率为fA/D，A/D分辨率为RA/D位，相邻 两 个 采 样 点 之 间 的 时 间 即 采 样 周 期 为TA/D。采样后开始计数，第一个采样点计数为1，采样点P的采样点计数为N，采样点P对应的采样值为V1，所对应的时刻为t1: